DE3810702A1 - Phasenstabilisierter, -gekoppelter schwingkreis - Google Patents
Phasenstabilisierter, -gekoppelter schwingkreisInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein kontaktlos arbeitendes Energie-
und Datenübertragungssystem, bestehend aus Mikrostation,
nachfolgend MS genannt, und Mikroeinheit, nachfolgend ME ge
nannt.
In unterschiedlichen Anwendungen werden Datenträger und Da
tengeräte z.B. in Form von Chipkarten mit integrierten elek
tronischen Bauteilen eingesetzt. Fast alle derart am Markt
erhältlichen Systeme sind mit Kontakten zwischen Lesegerät
und Karte ausgelegt. Kontakte wirken sich nachteilig bei Ver
schmutzung, statischen Entladungen, Vibrationen und Abnutzung
aus.
Diese Nachteile treten bei einem kontaktlos, induktiv arbei
tenden System nicht auf.
Werden Energie und Signale berührungsfrei übertragen, liegt
es nahe, eine solche Übertragungsfrequenz zu benutzen, daß
auf seiten der ME Clocksignale zum Betrieb der in der ME
verwendeten Elektronikbaugruppen verwendet werden können,
die der Übertragungsfrequenz gleich sind oder mittelbar durch
Unterteilung aus ihr gewonnen werden können. Außerdem soll
die verwendete Frequenz internationalen Richtlinien evtl.
Normen entsprechen. Damit muß die verwendete Frequenz kon
stant gehalten werden. Dies widerspricht der Änderung (Alte
rung, Bauteiletoleranz) von Bauteilen, welche im Schwingkreis
zur Erzeugung der Übertragungsschwingung verwendet werden,
womit bei derart geänderten Bauteileparametern die Eigenfre
quenz des Schwingkreises nicht mehr mit der Steuerfrequenz
übereinstimmt und damit die Energieübersetzung von MS zu ME
verringert wird.
Als weitere Bedingung kommt hinzu, daß zwei Schwingkreise
aufzubauen sind, welche aus Gründen eindeutiger Signal
erkennung auf seiten der ME ein konstantes Phasenverhältnis
zueinander haben müssen.
Diese geschilderte Problematik läßt sich im wesentlichen in
die Forderung zusammenfassen:.
Es ist eine Schwingkreiselektronik bei vorgegebener, unverän
derlicher, eingeprägter (d.h. gesteuerter) Frequenz so regel
technisch während des Betriebes zu optimieren, daß bei Bau
teiletoleranz und unterschiedlichen Umwelteinflüssen mög
lichst die Eigenfrequenz gemäß der Steuerfrequenz ist. Dieses
Ziel wird insbesondere dadurch erreicht, daß in einem Paral
lelschwingkreis mit Hilfe von Kapazitätsdioden die parallel
geschaltete Resonanzkapazität geregelt wird. Zu beachten ist
zusätzlich, daß die Dioden in ihrem spannungsmäßig vor
geregelten Arbeitsbereich benutzt werden.
Die hier dargelegte Erfindung ist durch folgende Merkmale
gekennzeichnet:.
- 1. Die Mikroeinheit ist eine eigenständige elektronische Ein heit (z.B. Mikrocomputersystem), die kontaktlos an dafür vorgesehenen Mikrostationen betrieben werden kann.
- 2. Die Mikroeinheit benötigt für den Betrieb in einer Mikro station keinen eigenen Oszillator, da der Verarbeitungstakt aus der Energieübertragung gewonnen wird.
- 3. Die MS als auch die ME sind derart konstruiert, daß ein Betrieb des Systems unabhängig von der Lage der ME in der Aufnahmevorrichtung der MS, unter Berücksichtigung der mechanischen Passung, gewährleistet ist.
- 4. Die Energie- und die bidirektionale Datenübertragung zwi schen Mikrostation und Mikroeinheit geschieht kontaktlos nach dem Phasensprungverfahren Patent Nr. P34 47 560.5 und dem Synchronschalterprinzip.
- 5. Die für die induktive Energiekopplung notwendige Treiber stufe in der Mikrostation wird mit einer Regelstrecke betrieben, die eine einfache Fertigung einer Mikrostation erlaubt und alle kritischen Einflüsse einer induktiven Ubertragung herabsetzt.
- 6. Die Mikroeinheit kann gleichzeitig zu ihrer elektrischen Funktion nach Anspruch 1 gleichfalls mit einem Magnet streifen ausgerüstet sein und als Magnetkarte arbeiten, ohne daß eine Störung der Magnetstreifenablesung bzw. induktiven berührungslosen Signalübertragung auftritt. Für die sichere Arbeitsweise und den Aufbau einer indukti ven Energie- und Datenübertragungsstrecke müssen mehrere Parameter eingehalten werden. Diese Forderung ergibt sich aus den physikalischen Grundlagen, da für ein magnetisches Feld, welches als Transformationsmedium benutzt wird, immer Ort, Raum und Richtung zu berücksichtigen sind.
Der nachstehende Text beschreibt ein Verfahren, mit dem es
möglich ist, alle problematischen Parameter, die bei der
induktiven Übertragungsstrecke vorkommen, zu eliminieren.
Die induktive Übertragungsstrecke dieses Systems gliedert
sich in die wesentlichen Merkmale.:
- - Energieübertragung
- - Regelkreis
- - Magnetstreifenverträglichkeit
- - Datenübertragung
- - Lagenvarianz
- - Taktgenerierung,
Die Energie-Transformation von der Mikrostation zur Mi
kroeinheit, z.B. Chipkarte, geschieht induktiv über zwei
Spulen in einem Frequenzbereich, der in der Größenordnung
des benötigten Systemtaktes für die Mikroeinheit liegt, da
der Systemtakt für die ME, z.B. Mikrocomputer, direkt
aus der Übertragungsfrequenz abgeleitet wird, so daß kein
Oszillator auf der ME erforderlich ist.
Die Energieaufbereitung erfolgt in zwei frequenzgekoppel
ten Schwingkreisen (Bild 1: T 1, S 1 und T 2, S 2) bei einer
Frequenz von beispielsweise 6 MHz.
Die Ferritkernspulen der Schwingkreise beinhalten einen
Luftschlitz, in den die jeweiligen flächigen Spulen S 3 und
S 4 der ME eingeführt werden. Die magnetische Durchflutung
ist damit senkrecht zu den flächigen Spulen.
Die zwei Schwingkreise arbeiten mit einer geregelten Pha
senverschiebung von +/-90° gegeneinander.
Die Verwendung von Schwingkreisen hat den Vorteil, daß
relativ wenig Energieaufwand für den Betrieb des Systems
erforderlich ist, wenn diese sehr stark selektiv und mit
Resonanzüberhöhungen, d.h. in der Nähe der Eigenresonanz,
arbeiten.
Äußere Einflüsse, Bauteilstreuungen und unterschiedliche
ME führen im einfachen Aufbau dazu, daß die Kreise S 1 und
S 2 verstimmt werden. Die Folge davon wäre:.
- - zu wenig Energie für die ME
- - die erforderliche 90°-Phasendifferenz zwischen S 1 und S 2 ist nicht gegeben.
Diese Mängel, die zu Funktionsstörungen führen könnten,
werden dadurch behoben, daß jeder Kreis S 1 und S 2 in einem
eigenständigen Regelkreis gleicher Frequenz aufgebaut ist.
Bild 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Regelkreises.
Der Regelkreis macht sich die physikalische Eigenschaft
des Schwingkreises zunutze, daß im jeweils angestrebten
Resonanzfall der Kreis S 1/ S 2, Bild 2, ausschließlich als
realer Widerstand wirkt. In diesem Fall ist die Phasenlage
der Spannungen zwischen Kollektor und Basis des Treiber-
Transistors T, Bild 2, genau 180°. Sowie eine Verstimmung
des Kreises auftritt, ist die Bedingung Uc zu Ub = 180°
(Bild 3) nicht mehr gegeben.
Die Phasenlage des Kreises wird mit der Spannung Uc abge
griffen. Ein übersteuerter MOS-Transistor TM, Bild 2,
erwirkt eine Pegelanpassung an den mit Niedervolt arbei
tenden Logikbaustein U 1, einem Exclusiv- Oder- Gatter,
(gleichbedeutend mit einem PLL = Phase-Look-Loop). Die
daraus gewonnene Spannung Ux wird mit Up, einer in der
Schaltung ohnehin vorhandenen und vom Oszillator, abgelei
teten Spannung, Bild 1 (Q 2 oder Q 3) und Bild 2 unten (Up =
Ub - 90°), verglichen. Dieses für einen Kanal erforderli
che Referenz-Signal Up, z.B. Q 2 (Bild 1), wird vom jeweils
anderen Kanal, z.B. Q 3 (Bild 1), gewonnen, womit kohä
rente Signalverläufe zur Regelung herangezogen werden.
Dadurch ist gewährleistet, daß beide Schwingkreise die
selbe Frequenz bei konstanter Phasenverschiebung einhal
ten.
Das symmetrische Tastverhältnis von Uf (Bild 3, Fall A),
welches sich nur bei abgeglichenem Kreis einstellt, be
wirkt am Integrationsglied R 3, C 3 (Bild 2), daß die Span
nung Un = Uv/2 ist. Der nachgeschaltete OP 1 vergleicht Un
mit Uv/2 und ist über seine Verstärkung so eingestellt,
daß eine Anpassung der Regelspannung Ud an das Großsignal
verhalten des Kreises gegeben ist. Wenn Ux = Ub +/- 180°,
ist Un = Uv/2. Der Kreis arbeitet im Resonanzpunkt (Bild
4).
Jede Verstimmung und Ungleichheit von Ux ungleich Ub +/- 180°
(Bild 3, Fall B und Fall C) führt dazu, daß Un ungleich Uv/2
ist und daß der Kreis über Ud nachgestimmt wird.
Der Eingriff in das Resonanzverhalten des Kreises erfolgt
mit den spannungsabhängigen Kapazitätsdioden KD 11 + KD 12 (Bild
2) über die Steuerspannung Ud. Entgegen dem Abstimmverfahren
bei Filtern können in diesem Fall die Dioden aufgrund ihrer
Anordnung in der Schaltung durch ihren gesamten Kennlinienbe
reich C = f(Ud) gefahren werden (Bild 4). Diese Möglichkeit
resultiert aus dem Großsignalverhalten des Schwingkreises,
das erforderlich ist, um einen möglichst hohen Strom in der
Übertragungsspule L 1 (Bild 2) fließen zu lassen, um so ge
nügend Energie auf die Mikroeinheit transformieren zu können.
Die Kondensatoren C 11 und C 12 arbeiten als Spannungsteiler,
um die zulässige Sperrspannung der in Serie geschalteten Ka
pazitätsdioden KD 11 und KD 12 (Bild 2) nicht zu überschreiten.
Die Kapazitäts-Dioden haben für die Funktion C =f(Ud) (Bild
4, Kurve 3) eine gekrümmte Kennlinie, die zu Verzerrungen
im Ausgangssignal führen könnte. Diese Verzerrungen werden
umso stärker, je weiter die Kennlinie ausgesteuert wird.
Aus diesem Grund werden zwei Kapazitätsdioden (KD 11, KD 12,
Bild 2) wechselstrommäßig antiparallel in den Kreis ge
schaltet, so daß sich die Verzerrungen im Schwingkreis
aufheben.
Der vorgestellte Regler nach Bild 2 wird zweifach für die
Kreise S 1, T 1 und S 2, T 2 (Bild 1) aufgebaut.
Vorteile:
- - Parameteränderungen werden ausgeregelt
- - Umwelteinflüsse werden ausgeregelt
- - Die für die Phasenmodulation erforderlichen 90° zwischen S 1 und S 2 (Bild 1) werden überwacht und gehalten
- - Die Verlustleistung in den Kreisen wird auf ein Minimum beschränkt.
Nachfolgend beschriebener Funktionsablauf zeigt das Regelver
halten auf:
Durch eine angenommene Einwirkung, z. B. Bauteiltoleranzen,
Betrieb von unterschiedlichen Mikroeinheiten, soll sich der
kapazitive Anteil im Schwingkreis vergrößert haben. Die Ei
genresonanzfrequenz des einzelnen Kreises mit Spule und Kon
densator sinkt in diesem Falle. Da aber von außen durch den
Treiber eine feste Frequenz vorgegeben wird, ändert sich die
Phase und damit auch die Amplitude (siehe Bild 4).
Die Phase der Spannung Ux wird gegenüber der Spannung Up mehr
als 90° Phasendifferenz nacheilen (Fall B, Bild 3). Der Mit
telwert des Signals Uf (Un) steigt. Durch den Vergleich mit
Uv/2 (Uv = Versorgungsspannung) steigt die Regelspannung Ud.
Wenn Ud steigt, fällt gleichfalls die Stellkapazität und wirkt
der eigentlichen Verstimmung des Kreises entgegen (siehe Bild
4).
Die gleiche Betrachtung, nur mit entgegengesetztem Regelver
halten, kann für den Fall C der induktiven Verstimmung (Bild 3)
angestellt werden.
Der realisierte Regelkreis nach Bild 2 beinhaltet eine zu
sätzliche Funktion, die erforderlich ist, da der Kreis S 2
(Bild 1) durch das Exclusiv-Oder-Gatter "5", mit den an die
ME zu übertragenden Daten, Phasenwechsel von 180° erfährt.
Diese Phasenwechsel dürfen nicht zu einer Änderung der Re
gelspannung Un führen, da hierdurch der Kreis verstimmt wür
de. Die Beschaltung der Stufe T 2, S 2 ist gleich der Stufe T 1,
S 1, (Bild 1) mit einer Ausnahme. Die Stufe T 2, S 2 wird, wie
aus Bild 2 ersichtlich, mit dem phasenumschaltbaren Signal
TM 2 betrieben. Die Referenzphase für den Vergleich im EXCLU-
SIV-ODER-Gatter U 1 wird von Q 2 gewonnen. Im Falle einer Daten
übertragung wird zur Konstanterhaltung der Regelspannung,
gleichfalls wie das Signal TM 2, auch das Signal Q 2 über ein
EXCLUSIV-ODER-Gatter U 2 invertiert. Kleine, insbesondere
kurzfristige Störungen während des Umschaltens machen sich
nicht bemerkbar, da die Zeitkonstante T = R 3 C 3 ausreichend
groß gewählt werden kann.
Bei Verwendung einer Chipkarte mit Magnetstreifen als ME
erfährt die magnetische Codierung auf dem Magnetstreifen
keine Beeinflussung.
Diese Eigenschaft ist darauf zurückzuführen, daß der magne
tische Fluß mit einer Frequenz f < 1 MHz die Karte senkrecht
durchflutet. Die magnetischen Teilchen des Magnetstreifens
haben aufgrund ihrer Trägheit und Richtung keine Möglich
keit, ihre Lage zu verändern.
Wie eingangs erwähnt, arbeiten die beiden Schwingkreise mit
einem Phasenunterschied von +/- 90°. Im Ruhezustand (keine
Datenübertragung) arbeitet der Schwingkreis S 1 immer 90° vor
eilend gegenüber Schwingkreis S 2. Bei einer Datenübertragung
zur Mikroeinheit wird S 2 um 180° geschaltet, so daß dieser
daraufhin 90° voreilend gegenüber Kreis S 1 ist. Dieser Vor
gang wird von der ME ausgewertet.
Eine von der ME zur MS gerichtete Datenübertragung geschieht
durch eine erhöhte Stromaufnahme seitens der ME. Über den
Innenwiderstand der Ouelle in der Mikrostation kann ein Span
nungseinbruch detektiert werden.
Dieses Verfahren wird durch das Patent (Nr. P 3 44 756.05) be
schrieben.
Wie unter Punkt 3 der Ansprüche aufgeführt, ist die Funktion
des Systems nicht von der Lage der ME in der Auf
nahmevorrichtung abhängig. Hierzu wurden die jeweils 2 benö
tigten Spulen der ME und MS bei dem Chipkartensystem, wie auf
Bild 6 dargestellt, angebracht (siehe Gebrauchsmusterantrag
Nr. G 87 16 548.1). Dadurch ist gewährleistet, daß, gleichgültig
wie die ME vor Einführung in die Aufnahmeeinrichtung der
MS gedreht wurde, sich die 2 Spulen der ME den 2 Spulen der
MS gegenüberliegen, wodurch die Funktion immer gewährleistet
und das Handling des Systems vereinfacht ist.
Auf der Mikroeinheit kann ein Rechenwerk, Mikrocomputer etc.
untergebracht sein. Der erforderliche Verarbeitungstakt wird
direkt oder geteilt aus der Frequenz der Energieübertragung
gewonnen (siehe Bild 7). U 3 und U 4 gewinnen aus der sinus
förmigen Analogspannung der Empfängerspulen ein Digitalsig
nal. Für die Mikroeinheit ist kein eigener Oszillator erfor
derlich, welches zur wesentlichen Vereinfachung der ME bei
trägt. Grundvoraussetzung für den einwandfreien Betrieb eines
Rechenwerks in einer ME ist, daß der Verarbeitungstakt sym
metrisch und ohne Unregelmäßigkeiten zur Verfügung steht.
Da die ME in einer beliebigen Einschublage in der MS arbeiten
soll, muß dafür Sorge getragen werden, daß der Takt von der
jeweils nichtmodulierten Spule abgenommen wird (Bild 6).
Ein Phasensprung wird immer, wie aus Bild 1 ersichtlich,
über die Spule S 2 erfolgen. Mit dieser und der weiteren Grund
voraussetzung, daß ohne Datenmodulation Spule S 1 immer Spule
S 2 um 90° voreilend ist, kann seitens der ME eine Erkennung in
beliebigen Betriebslagen erfolgen.
Hierzu ist die Schaltung nach Bild 7 in der ME aufgebaut.
Fall 1 und Fall 2 zeigen die verschiedenen Signalverläufe
in unterschiedlichen Betriebslagen (siehe hierzu auch Bild
6).
Fall 1 zeigt, daß U 3 voreilend gegenüber U 4 ist:
Die Phasenmodulation erfolgt später auf U 4,
Die Taktgewinnung erfolgt aus U 3.
Die Phasenmodulation erfolgt später auf U 4,
Die Taktgewinnung erfolgt aus U 3.
Fall 2 zeigt, daß U 4 voreilend gegenüber U 3 ist:
Die Phasenmodulation erfolgt später auf U 3.
Die Taktgewinnung erfolgt aus U 4.
Die Phasenmodulation erfolgt später auf U 3.
Die Taktgewinnung erfolgt aus U 4.
Das Flip-Flop U 5 erkennt am Ausgang eine Logisch "1" für
Fall 1 und eine Logisch "0" für den Fall 2. Etwas zeitverzö
gert, wenn sich die Betriebsspannung der ME aufgebaut hat
und eine Verzögerungszeit von wenigen Mikrosekunden abgelau
fen ist, erfolgt eine positive Resetflanke am Flip-Flop U 6.
Siehe hierzu auch Bild 5.
Dieser Vorgang geschieht immer nur einmalig mit Betriebs
beginn, wenn noch keine Daten übertragen werden.
Das Signal UL liegt am Steuereingang des Multiplexers. Im
Fall 1, UL = 1, wird Kanal I 1 durchgeschaltet, während für den
Fall 2, UL = 0, Kanal I 0 durchgeschaltet wird.
Diese Zustände bleiben für die gesamte Betriebsdauer bestehen,
Nach dem gleichen Prinzip der Taktzuordnung wird auch der
Pegel und Grundzustand der Datenleitung DR (Bild 7) fest
gelegt, mit dem Unterschied, daß hierfür nur eine Pegelfest
legung des Datensignals erfolgt und kein Multiplexer erfor
derlich ist.
Claims (1)
- Einrichtung zur berührungslosen Signal- und Energieübertra gung, bestehend aus einem unbeweglichen Teil (Mikrostation, abgekürzt MS) und einem bewegbaren Teil (Mikroeinheit, abge kürzt ME), wobei die Schwingung eines Oszillators in zwei getrennte Schwingungen Q 2, Q 3 aufgespaltet ist und der einen Schwingung Q 3 in Abhängigkeit von einem Datenstrom TM 1 eine Phasenverschiebung gegenüber Q 2 aufgezwungen wird und diese phasenverschobene Schwingung TM 2 über ein erstes Spulenpaar (S 2, S 3) und die andere Schwingung Q 2 über ein zweites Spu lenpaar (S 1, S 4) der ME zugeführt wird und außerdem die Lei stungsübertragung mit Hilfe der beiden Schwingungen (Q 2, TM 2) über dieselben Spulenpaare (S 2, S 3; S 1, S 4) erfolgt, wobei in der ME die übertragenen Schwingungen einem Phasen vergleicher (IC 2, IC 3) zugeführt werden, welcher an der Pha senverschiebung die Daten aus dem Datenstrom wieder gewinnt, ferner erfolgt die Datenübertragung von der ME zur MS durch gleichzeitige Belastungsänderung an den beiden Spulen (S 3, S 4) der ME, wodurch gewährleistet ist, daß an einer der bei den Spulen (S 1, S 2) der MS auch bei vertauschter Zuordnung der Spulenpaare ein Nachweis der Belastungsänderung möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß: die beiden in der MS befindlichen Schwingkreise S 1 bzw. S 2, bestehend jeweils aus der Induktivität L 1 bzw. L 2, den Kapa zitäten C 1, C 11, C 12 bzw. C 2, C 21, C 22, den Kapazitätsdioden KD 11, KD 12 bzw. KD 21, KD 22, welche phasenverschoben reso nanzstabilisiert sind, indem die beiden kohärenten Schwin gungen mit feststehender Phasenverschiebung für die Ansteue rung je eines Schwingungskreises über einen Transistor T als Treiber zur Verfügung stehen, und bei Resonanz eines Schwing kreises dieser als realer ohmscher Widerstand an seinem in Serie geschalteten Treibertransistor T wirkt, wodurch zwischen schwingungserzeugendem Signal Ub, an der Basis des Treiber transistors, und Spannungsabgriff Uc am Schwingkreis genau eine Phasenverschiebung von 180° besteht, welche bei Nicht-Resonanz von diesem Phasenwert abweicht, und die Abwei chung bei Vergleich mit dem Referenzsignal über geeignete Schaltglieder (TM, EX) in ein von der Phasenverschiebung ab hängiges Tastverhältnis einer Pulsserie gewandelt wird, und dieses Tastverhältnis über ein R,C Glied (R 3, C 3) integriert und der dadurch erhaltene Spannungswert mit einem Standardspannungswert verglichen wird und über einen Opera tionsverstärker (OP 1) die Kapazitätsdioden KD 11, KD 12 steuert, womit der Schwingungskreis auf seine eingespeiste Frequenz stabilisiert ist, und bei Anwendung desselben Ver fahrens auf einen zweiten Schwingkreis, ebenfalls bestehend aus Induktivität, Kapazitäten und Kapazitätsdioden sowie Treibertransistor, wobei als schwingungserzeugendes Signal der über die Induktivität L 2 eingespeiste kohärente phasen verschobene Teil zur Verfügung steht, auch dieser zweite Schwingkreis auf dieselbe Frequenz stabilisiert ist und somit beide frequenzstabilisierten Schwingungen eine definierte Phasenverschiebung zueinander haben, welche über L 1, L 2 der ME frequenzstabilisiert, phasenverschoben zur Verfügung stehen und eine Erkennung und Auswertung der Phasenverschiebung zulassen und aufgrund der Frequenzstabilität eine zeitdefi nierte, standardisierte Baudrate des Datenstrom gewährleisten.
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